第十一章可编程串行接口芯片8251.ppt

第十一章可编程串行接口芯片8251A本章学习的知识点:1)掌握串行接口8251A的基本功能2)掌握串行接口8251A的工作方式和基本用法3)掌握串行接口8251A的硬软件设计方法本章学习的重点:1)掌握8251A的的特点、工作方式和用法2)掌握8251A的硬软件设计方法,11.1串行传输的基本概念11.1.1串行通信的基本概念在计算机数据通信中，有两种基本的数据传送方式：串行通信与并行通信。串行通信:计算机之间以及计算机与一些常用的外部设备之间的数据交换，往往需要采用串行通信的方式。在计算机远程通信中，串行通信更是一种不可缺少的通信方式。串行通信中只需要一条数据传输线，所以串行通信可以节省传送线。在位数较多、传输距离较长的情况下，这个优点更为突出，但串行通信的速度比并行通信的的速度要低的多。,串行通信的特点:数据一位一位地顺序传送，只占用一条传输线，它可由两种方式来实现：一种是依靠软件来实现串行数据传送(如图11-1所示中的D0-D7中的某一位,按一定的时间间隔来把数据转变成序列脉冲的形式)；另一种是通过专用的通信接口，将并行数据转换为串行数据。并行通信的特点:数据有多少位就要有多少传输线，所以数据线较多。,在并行通信与串行通信之间的对比关系,2.串行数据传送方式,图11-2串行通信中数据的传送模式(a)单工通信模式(b)半双工通信模式(c)全双工通信模式,(1)单工(Simplex)通信模式：该模式仅能进行一个方向的数据传送，数据只能从发送器A发送到接收器B。(2)半双工(HalfDuplex)通信模式：该模式能够在设备A和设备B之间交替地进行双向数据传送。即数据可以在一个时刻从设备A传送到设备B，而另一时刻可以从设备B传送到设备A，但不能同时进行。(3)全双工(FullDuplex)通信模式：该模式下设备A或B均能在发送的同时接收数据。,3.数据传输率数据传输率是指每秒钟传送的二进制位数。设计算机数据传送的速率是120字符/s，而每个字符假设有10个比特(bit)位(包括1个起始位、7个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位)，则其波特率为：120字符/s10bit/字符=1200bit/s=1200波特每个数据位的传送时间Td为波特率的倒数：Td1/12000.000833s0.833ms最常用的波特率有110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600和19200。通常用选定的波特率除以10来估计每秒钟可以传送的字符数。4.发送/接收时钟用时钟来检测每一位数据的位宽度。,5串行通信的格式在数据通信中为使收、发信息准确，收发两端的动作必须相互协调配合。这种协调收发之间动作的措施称为“同步”。在串行通信中数据传送的“同步”方式有异步传送和同步传送两种。（1）异步通信异步传送，是指发送设备和接收设备在约定的波特率(每秒钟传送的位数)下，不需要严格的同步，允许有相对的延迟。即两端的频率差别在1/10以内，就能正确地实现通信。在进行异步传送时必须确定字符格式及波特率。,1）字符格式：在异步通信中，两个计算机之间如正确的实现数据的传输必须满足下面的两个规定：（1）字符格式：字符格式即字符的编码形式及规定。如规定每个传送的数据字符由四个部分组成：1个起始位、58个数据位、1个奇偶校验位以及12个停止位。图11-3示出了这种串行字符编码格式。起始位后面，紧跟着要传送字符的最低位，每个字符的结束，是一个高电平的停止位。起始位至停止位构成一帧。,异步通信的字符格式：字符格式即字符的编码形式及规定,图11-3A异步传送数据格式(a)有空闲位；(b)无空闲位,图11-3C起始位至两个停止位构成一帧的异步传送格式,字符格式中个位的意义：起始位：每个字符的开始必须是持续一个比特(一位)时间的逻辑“0”电平，标志着一个字符的开始。数据位：有58位，紧跟起始位之后，是字符中的有效数据位。传送字符时，先送低位，后送高位。奇偶校验位：仅占一位。可根据需要设置为奇校验或偶校验，也可以不设校验位。停止位：可设置为1位、1.5位或2位，并规定为逻辑“1”状态。,异步传送数据格式下传送的过程：每个字符传送前，其传输线上必须处于高电平“1”状态，这样，当传输线由“1”变为“0”状态，并持续1比特时间时，就表明是字符的起始位，下面传送的位信息必然是有效数据位信息。当一个字符传送完后，立即传送下一个字符，下一个字符的起始位紧挨前一个字符的停止位(即无空闲位)，如图11-3(b)所示。如后续数据跟不上，则在停止位后加高电平的空闲位等待下一个字符的到来，如图11-2(A)（B）所示。,（2）同步通信同步传送是指去掉异步传送时每个字符的起始位和停止位，仅在数据块开始处用12个同步字符来表示数据块传送的开始，然后串行的数据块信息以连续的形式发送，每个发送时钟周期发送一位信息，故同步传送中要求对传送信息的每一位都必须在收、发两端严格保持同步，实现“位同步”。同步传送时一次通信传送信息的位数几乎不受限制，通常一次通信传送的数据可达几十到几百个字节。这种通信的发送器和接收器比较复杂，成本较高。用于同步通信的数据格式有很多种，图11-4给出了常见的几种。图中，除数据场的字节数不受限制外，其他均为8位。,图11-4同步传送数据格式(a)单同步数据格式；(b)双同步数据格式,图(a)为单同步数据格式，传送一帧数据仅使用一个同步字。当接收端检测到一个完整的同步字后，就连续接收数据。一帧数据结束，便进行16位的循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck)CRC校验，以校验所传送的数据中是否出现错误。图(b)为双同步数据格式，这时利用两个同步字进行同步。,11.1.2信号的调制与解调在计算机系统中，主机与外设之间所传送的是用二进制“0”和“1”表示的数字信号。数字信号的传送要求占用很宽的频带，且还具有很大的直流分量，因此数字信号仅适用于在短距离的专用传输线上传输。在进行远距离的数据传输时，一般是利用电话线作通信线路。由于电话线不具备数字信号所需的频带宽度，如果数字信号直接用电话线传输，信号将会出现畸变，致使接收端无法从发生畸变的数字信号中识别出原来的信息。,为了克服传输信号的畸变，在发送端把数字信号转换成适于传输的模拟信号，而在接收端再将模拟信号转换成数字信号。前一种转换称为调制，后一种转换称为解调。完成调制、解调功能的设备叫做调制解调器(Modem)。调制解调器的类型比较多，但基本可分为两类：异步调制解调器和同步调制解调器。,异步调制解调器：适用于异步通信方式，它不提供同步时钟信号。常用的调制方法是频移键控(FSK，FrequencyShiftKeying)或称为两态调频。如图11-5所示，频移键控的基本原理是把“0”和“1”两种数字信号分别调制成两个不同频率的音频信号。频移键控适用于低速率传送，一般是在传输波特率在1200以下时可采用FSK调制。,图11-5频移键控FSK调制原理(a)数字信号；(b)FSK信号,11.1.3串行通信接口可编程串行接口芯片如Intel的8251A以及NationalSemiconductor的8250等仅完成TTL电平的并串或串并转换。为了增大传送距离，可在串行接口电路与外部设备之间增加信号转换电路。目前常用的转换电路有RS232收发器、RS485收发器和Modem等。RS232收发器将微型计算机的TTL电平转换为15V电压进行传送，最大通信距离为15m。RS485收发器将微型计算机的TTL电平转换为差分信号进行传送，最大传送距离为1.2km。Modem将电平信号调制成频率信号送入电话网，如同音频信号一样在电话网中传送。,80 x86微机的串行口就是使用可编程串行通信芯片8251或8250以及RS232电平转换电路，将微型计算机数据的逻辑“0”或逻辑“1”电平转换为+15V或15V电平，通过25针(或9针)D型插座与外部进行串行通信的。,图11-6RS232C总线接收器与发送器的连接方法,+5V,11.2可编程串行接口芯片8251A18251A主要特点：可用于串行异步通信，也可用于串行同步通信。对于异步通信，可设定停止位为1位、1位半或2位。对于同步通信，可设为单同步、双同步或外同步。步字符可由用户自己设定。可以设定奇偶校验的方式，也可以不校验。校验位的插入、检出及检错都由芯片本身完成。,异步通信的时钟频率可设为波特率的1倍、16倍或64倍。在异步通信时，波特率的可选范围为019.2千波特；在同步通信时，波特率的可选范围为064千波特。提供与外部设备特别是调制解调器的联络信号，便于直接和通信线路相连接。接收、发送数据分别有各自的缓冲器，可进行全双工通信。,28251A的外部引脚8251A是一个28脚双列直插式封装的芯片，其外部引脚如图11-8所示。8251A的引脚按功能可分为与CPU连接的信号引脚和与外部设备(或调制解调器)连接的信号引脚。,图11-88251A的外部引脚,1)与CPU之间的接口引脚(1)数据信号D0D7：与CPU的数据总线对应连接。(2)读/写控制信号：RD读选通信号输入线，低电平有效。WR写选通信号输入线，低电平有效。,图11-88251A的外部引脚,C/D信息类型信号输入线。低电平时传送的是数据，高电平时传送的是控制字或状态信息，通常将该引脚与CPU地址总线A0引脚相连，以实现对8251A内部寄存器的寻址(口地址：数据口和控制口)。C/D、WR、RD三者的控制编码与相应的操作功能如表11-1所示。CLK：8251的工作频率，在（0.74-3.1MHz)之间。,图11-88251A的外部引脚,表11-1CPU对8251A的读/写控制,(3)收发联络信号：发联络信号：TXRDY发送准备好信号，输出，高电平有效。当发送寄存器空闲且允许发送(CTS为低电平、命令字中TXEN位为1)时，TXRDY输出为高电平，以通知CPU当前8251A已做好发送准备，CPU可以向8251A传送一个字符。当CPU把发送的数据写入8251A后，TXRDY恢复为低电平。TXRDY可作为8251A向CPU发送的中断请求信号（发送中断）。也可作为查询方式的联络信号。,TxE发送器空信号：输出信号，当它有效(高电平)时，表示发送器中的并串缓冲器空。与TXRDY是有区别的，TXRDY表示发送缓冲器的状态，而TXE表示经发送数据缓冲器的并串转换器的状态。TXRDY在TXE之前有效。在同步方式时，若CPU来不及输出一个新字符，则TxE变为高电平，同时发送器在输出线上插入同步字符，以填补传输空隙。,收联络信号：RXRDY:接收器准备好信号，输出，高电平有效。RXRDY=1时，表明8251A已经从串行输入线接收了一个字符，正等待CPU将此数据取走。因此，在中断方式时，RXRDY可作为向CPU申请中断的请求信号（接收中断）；在查询方式时，RXRDY的状态供CPU查询之用。SYNDET:同步检测信号。用于内同步状态输出或外同步信号输入。此线仅对同步方式有意义。,接收/发送信号线：TXD:发送数据输出线。CPU并行输入给8251A的数据从该引脚串行发送出去。RXD:串行数据输入线。,2)与外设之间的接口引脚,3)时钟、复位及片选信号：CLK：时钟信号输入线，用于8251A工作时内部的定时，它的频率没有明确值的要求，但必须不低于接收或发送波特率的30倍。RESET：复位信号输入线，高电平有效。复位后8251A处于空闲状态直至被初始化编程。CS：片选信号，低电平有效，它由CPU的地址信号译码而形成。CS为低电平时，8251A被CPU选中。,4）与调制解调器之间的接口引脚1、发送数据时的联络信号:RTS：请求发送，输出，低电平有效。CPU通过将控制寄存器的D5位置1，（初始化时完成）可使RTS变为低电平，用于通知外设(调制解调器)CPU已准备好发送数据。CTS：发送允许输入信号，低电平有效。这是由外设(调制解调器)对8251A的RTS的响应信号。CTS有效，表示允许8251A发送数据。当CPU发送请求信号RTS有效后，一旦外设发来CTS=0，则开始发送数据。在发送过程中，如果CTS无效，发送器将已经写入的数据全部发送完后才停止发送。,2、接收数据时的联络信号：DTR：数据终端准备好，输出，低电平有效。CPU对8251A写入命令字使控制寄存器D1位置1，（初始化时完成）从而使DTR变为低电平，以通知外设CPU当前已准备就绪。DSR：数据装置准备好，输入，低电平有效。这是由调制解调器送入8251A的信号，是DTR的回答信号，表示调制解调器的数据已经准备好。当DSR端出现低电平时会在8251A的状态寄存器的D7位反映出来，CPU可通过对状态寄存器进行读取操作，查询D7位就可得到DSR状态，查询数据装置是否准备好。,5）收发时钟线RXC：接收器接收时钟输入端。它控制8251A接收字符的速度。在同步方式时，它由外设(或调制解调器)提供，RXC的频率等于波特率。在异步方式时，RXC由专门的时钟发生器提供，其频率是波特率的1倍、16倍或64倍，即波特率等于RXC端脉冲经过分频得到的脉冲的频率，分频系数可通过方式选择字设定为1、16或64。实际上，RXC和TXC往往连在一起，共同接到一个信号源上，该信号源要由专门的辅助电路产生。TXC：发送器发送时钟输入端。TXC的频率与波特率之间的关系同RXC。数据在TXC的下降沿由发送器移位输出。,在异步方式中，当接收器接收到有效的起始位后，便开始接收数据位、奇偶校验位和停止位。然后将数据送入寄存器，此时，RXRDY输出高电平，表示已收到一个字符，CPU可以来读取。在同步方式中，若程序设定8251A为外同步方式，则引脚SYNDET用于输入外同步信号，该引脚上电平正跳变启动接收数据。若设定为内同步接收，则8251A先搜索同步字(同步字事先由程序装在同步字符寄存器中)。RXD线上收到一位信息就移入接收寄存器并和同步字符寄存器内容比较，若不同则再接收一位再比较，直到两者相等。此时SYNDET输出高电平，表示已搜索到同步字符，接下来便把接收到的数据逐个地装入接收数据寄存器。,11.38251A内部结构图11-7给出了8251A的内部结构框图，它由5部分组成，各功能模块的功能如下：(1)I/O缓冲器：8251A的I/O缓冲器是三态双向的缓冲器。引脚D7D0是8251A和CPU接口的三态双向数据总线，用于和CPU传递命令、数据或状态信息。与CPU相互交换的数据和控制字就存放在这里，共有三个缓冲器。接收缓冲器：串行口收到的数据变成并行数据后，存放在这里供CPU读取。,图11.78251A内部结构框图,I/O缓冲器,发送/命令缓冲器：这是一个分时使用的双功能缓冲器。CPU送来的并行数据存放在这里，准备由串行口向外发送；另外，CPU送来的命令字也存放在这里，以指挥串行接口的工作。由于命令一旦输入就马上执行，不必长期存放，因而不会影响存放待发送的数据。状态缓冲器：存放8251A内部的工作状态，供CPU查询。,(2)读/写控制逻辑：该模块的功能是接收CPU的控制信号，控制数据的传送方向。(3)接收器及接收控制：该模块的功能是从RXD引脚接收串行数据，按指定的方式(字符格式)装配成并行数据,等待CPU取去。(4)发送器及发送控制：该模块的功能是从CPU接收并行数据，自动加上适当的成帧信号并转换成串行数据后从TXD引脚发送出去。(5)调制解调器控制：该模块提供和调制解调器的联络信号。,11.48251A的接收/发送工作过程1)接收器的工作过程接收数据的过程是：串行口允许接收后，接收控制电路不断监视串行数据输入线上的电平，一旦出现持续一个位周期的低电平，则开始采样有效数据位，并逐位移入移位寄存器中。采样重复进行，直至采样规定的停止位为止。然后再将有效数据并行送入输入缓冲寄存器，并由接口电路中的差错检测逻辑对输入数据进行校验，再根据校验结果置状态寄存器相应标志位。如传送数据正确，则由CPU读取数据。,2）发送器的工作过程发送数据的过程是：CPU把要输出的数据写入输出缓冲寄存器，然后由接口电路中的发送控制逻辑根据预先写入控制字的内容对数据格式化，即加上起始位、奇偶校验位和停止位等成帧信息。格式化后的数据由输出移位寄存器按选定的传输速率逐位移出，由串行数据输出线输出。在异步方式中，发送器在数据前加上起始位，并根据程序的设定在数据后加上校验位和停止位，然后作为一帧信息从TXD引脚逐位发送数据。在同步方式中，发送器先送同步字符，然后逐位地发送数据。若CPU没有及时把数据写入发送缓冲器，则8251A用同步字符填充，直至CPU写入新的数据。,8251A内部除了具有可读可写的数据寄存器外，还具有只可写的控制字寄存器和只可读的状态寄存器。1)控制字寄存器控制字寄存器存放方式控制字和命令控制字。(1)方式控制字的作用：方式控制字用来确定8251A的通信方式(同步或异步)、校验方式(奇校验、偶校验或不校验)、数据位数(5、6、7或8位)及波特率参数等。方式控制字的格式如图11-9所示。它应该在复位后写入，且只需写入一次。,11.58251A的控制字寄存器和状态字寄存器,图11-9方式控制字格式,最低两位D1D0为00时，8251A处于同步工作方式。其他三种组合规定了异步工作方式时，接收器接收时钟RXC、发送器发送时钟TXC与波特率的关系。当这两位设置为01、10和11时，RXC和TXC引脚上加载的信号的频率应分别为波特率的1倍、16倍和64倍。,(2)命令控制字：命令控制字使8251A进入规定的工作状态以准备发送或接收数据。它应该在写入方式控制字后写入，用于控制8251A的工作，可以多次写入。命令控制字格式如图11-10所示。方式控制字和命令控制字本身无特征标志，也没有独立的端口地址，8251A是根据写入先后次序来区分这两者的：先写入者为方式控制字，后写入者为命令控制字。所以对8251初始化编程时必须按一定的先后顺序写入方式控制字和命令控制字。,图11-10命令控制字格式,D0：TXEN发送允许控制位，D0=1时允许发送，D0=0时屏蔽发送。D1（DTR）：该位与DTR有关系，它控制DTR的输出状态。D2：RXEN接收允许控制位，D2=1时允许接收，D2=0时屏蔽接收。D0和D2必须在接收或发送前设置允许。D3：=1时发送终止符，使TXD变为低电平，输出“0”信号，表示数据短缺，而当处于正常状态时，该位=0。D4（ER）：=1时，消除状态寄存器中的全部出错标志，PE、OE、FE这三位错误标志由状态寄存器的D3、D4、D5来指示。,D5（RTS）：该位与RTS有关系，它控制RTS的输出状态。D6（IR）：=1，8251内部复位，要重新初始化。D7（EH）：该位只对同步方式起作用，=1时，表示开始搜索用步字，但只有在D2=1、D4=1时，同步接收工作才能开始进行。注意：1）同步解调器控制电路的DTR、RTS的有效电平不是由8251内部产生，而是由控制字的编程设置的。2）同步接收时必须有D7、D4、D2都为1。,2)状态字寄存器状态寄存器存放8251A的状态信息，供CPU查询。状态字各位的意义如图所示。,图11.10状态字格式,CPU通过读取状态字来检测外设及接口的状态。当FE=1时，出现“帧格式错”。所谓帧格式错，是指在异步方式下当一个字符终了而没有检测到规定的停止位时的差错。此标志位不禁止8251A的工作，可由控制命令字中的ER来复位。当OE=1时，出现“超越错误”。所谓超越错误，是指当CPU尚未读完一个字符而下一个字符已经到来时，OE标志被置“1”。同样，它不禁止8251A的工作，可由控制命令字中的ER位来复位。但发生这种错误时，上一个字符将丢失。,11.68251A初始化编程8251A在使用前必须进行初始化。初始化在8251A处于复位状态时开始。其过程为：首先写入方式控制字，以决定通信方式、数据位数、校验方式等。若是同步方式则紧接着送入一个或两个同步字符，若是异步方式则这一步可省略，最后送入命令控制字，就可以发送或接收数据了。初始化过程的信息全部写入控制端口，特征是C/D=1，即地址线A0=1(因为C/D接至A0)。图11-11给出了8251A初始化过程的流程图。,图11.118251A初始化流程,1异步方式下初始化编程设8251A控制口的地址为301H，数据口地址为300H，按下述要求对8251A进行初始化。异步工作方式，波特率因子为64(即数据传送速率是时钟频率的1/64)，采用偶校验，字符总长度为10(1位起始位，7位数据位，1位奇偶校验位，1位停止位)。允许接收和发送，使错误全部复位。查询8251A的状态字，当接收准备就绪时，从8251A的数据口读入数据，否则等待。,初始化程序如下：MOVDX，301H；8251A控制口地址MOVAL，01111011B；方式控制字OUTDX，AL；送方式控制字MOVAL，00010101B；命令控制字OUTDX，AL；送命令控制字WAIT：INAL，DX；读入状态字ANDAL，02H；检查RXRDY=1？JZWAIT；RXRDY1，接收未准备就绪，等待MOVDX，300H；8251A数据口地址INAL，DX；读入数据,2同步方式下初始化编程举例设8251A设定为同步工作方式，控制口地址为51H，2个同步字符，采用内同步，SYNDET为输出引脚，偶校验，每个字符7个数据位。2个同步字符，它们可以相同，也可以不同。本例使用两个相同的同步字符23H。初始化编程如下：,MOVAL，00111000B；方式控制字：设置工作方式、双同步字符偶校验、每个字符7位OUT51H，AL；送方式控制字MOVAL，16H；同步字符OUT51H，AL；送第一个同步字符OUT51H，AL；送第二个同步字符MOVAL，97H；命令控制字：使接收器和发送器启动，状态寄存器中的3个出错标志位复位，通知调制解调器CPU已准备好进行数据传送OUT51H，AL；送命令控制字,例用8251A为8086CPU与CRT终端设计一串行通信接口。假设8251A控制端口地址为301H，数据端口地址为300H。要求：异步方式传送，数据格式为1位停止位，8位数据位，奇校验；波特率因子为16；CPU用查询方式将显示缓冲区的字符“HAPPYNEWYEAR”送CRT显示器。显示缓冲区在数据段。,解：(1)硬件设计。硬件连线如图11.12所示。当地址锁存允许信号ALE有效时，将CPU送来的地址锁存，地址译码器对输入地址A1A9进行译码，其输出接到8251A的片选端。地址A0用于选择8251A的数据端口或控制端口。波特率发生器按规定给8251A提供发送和接收时钟，其频率应等于波特率与程序设定的波特率因子16的乘积。电平转换电路1488和1489实现TTL电平与RS232C电平的转换。,图11.128086CPU与CRT终端的串行接口,数据锁存,分频器,(2)软件设计。程序如下：DATASEGMENTSTRINGDBHappyNewYear,COUNTEQU$-STRINGDATAENDSCODESE